第1章_机械系统的运动简图设计

1、第一章第一章一一. 机械系统机械系统(machinery system) 原动机原动机传动装置传动装置工作机构（执行机构）工作机构（执行机构）给机械系统提供动力。给机械系统提供动力。将动力机的动力和运动传递给执将动力机的动力和运动传递给执 行机构的中间装置。行机构的中间装置。（1）减速或增速；）减速或增速；（2）变速；）变速；（3）传递动力；）传递动力；（4）改变运动规律；）改变运动规律；（5）实现多路运动；）实现多路运动；利用机械能来进行生产或达到预定利用机械能来进行生产或达到预定 要求的装置。要求的装置。操纵控制装置操纵控制装置操纵及控制机械系统各组成部分协操纵及控制机械系统各组成部分协

2、调动作。调动作。它的功能：它的功能：传传动动系系统统带 式 运 输 机联轴器联轴器联轴器联轴器减速器减速器电动机电动机运输带工作机工作机 原动机原动机联轴器联轴器联轴器联轴器电动机电动机减速器减速器带式运输机传动简图传动系统传动系统原动机原动机工作机工作机带式运输机带式运输机DF v二. 机械系统运动简图(machinery system kinetic sketch )棘轮机构棘轮机构工作台工作台连杆机构连杆机构(ABCD)连杆机构连杆机构齿轮变速机构齿轮变速机构电动机电动机带传动带传动牛头刨床的传动系统简图牛头刨床的传动系统简图CDFABOEG刀架刀架滑枕滑枕内燃机内燃机曲柄滑块机构曲柄滑

3、块机构简图简图汽汽缸缸体体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴F三三. 平面机构运动简图平面机构运动简图(planar mechanism kinematic sketch )平面机构平面机构(planar mechanism )所有构件都在同一平面或平所有构件都在同一平面或平行平面内运动的机构。行平面内运动的机构。 如：内燃机中的曲柄滑块机构。如：内燃机中的曲柄滑块机构。齿轮机构简图齿轮机构简图或或1）运动副及其分类）运动副及其分类四本章主要内容、重点及难点四本章主要内容、重点及难点3）平面机构自由度计算及机构具有确定运动的条件）平面机构自由度计算及机构具有确定运动的条件2）平面机构的运动简图及其绘制）

4、平面机构的运动简图及其绘制主主要要内内容容重点重点 平面机构自由度计算及机构具有确定运动的条件平面机构自由度计算及机构具有确定运动的条件难难点点机构运动简图绘制机构运动简图绘制有虚约束的机构自由度计算有虚约束的机构自由度计算1-1 运动副及其分类运动副及其分类 一一. 运动副运动副(kinetic pair )机构中由两构件直接接触的具有机构中由两构件直接接触的具有一定相对运动的可动联接一定相对运动的可动联接。如：如：内燃机中活塞内燃机中活塞2与气缸体与气缸体1（相对移动）（相对移动）连杆连杆3与活塞与活塞2（相对转动）（相对转动）连连杆杆3与曲轴与曲轴4（相对转动）（相对转动）曲轴曲轴4与缸

5、体与缸体1（相对转动）组成可动连接。（相对转动）组成可动连接。相对移动相对移动相对转动相对转动移移动动副副转转动动副副 齿轮副齿轮副凸轮副凸轮副低副低副：面接触的运动副：面接触的运动副高副高副：点、线接触的运动副：点、线接触的运动副二二. 运动副的分类运动副的分类低副低副(low pair) (low pair) 高副高副(high pair)(high pair)（1 1）根据运动副中构件根据运动副中构件 间的接触形式分：间的接触形式分：21球面副球面副球销副球销副空间运动副空间运动副螺旋副螺旋副平面平面运动副运动副空间空间运动副运动副（2 2）根据构件间的相对运动分：根据构件间的相对运动分

6、：1-2 1-2 平面机构运动简图平面机构运动简图 机构运动简图机构运动简图(kinematic sketch )(kinematic sketch ) 是用规定是用规定的符号，绘出的能准确表达机构各构件之间的相对运动关系的符号，绘出的能准确表达机构各构件之间的相对运动关系及运动特征的简单图形，称为机构运动简图及运动特征的简单图形，称为机构运动简图 。(即：即：用线条和用线条和简单图形代表构件，用规定符号代表运动副，按比例作出的简单图形代表构件，用规定符号代表运动副，按比例作出的图形）图形）。内燃机中由汽缸体、活塞、连杆和曲轴组成的曲轴内燃机中由汽缸体、活塞、连杆和曲轴组成的曲轴滑块机构。滑块

7、机构。一机构构件分类一机构构件分类机架（或固定构件）机架（或固定构件）内燃机的汽缸体内燃机的汽缸体活动构件活动构件 除除机架外的所有可动构件。如活塞、连杆、机架外的所有可动构件。如活塞、连杆、 曲轴及齿轮等。曲轴及齿轮等。组成机构的构件可分为两大类：组成机构的构件可分为两大类：内燃机内燃机曲柄滑块机构曲柄滑块机构运动简图运动简图汽汽缸缸体体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴F内内燃燃机机结结构构分分析析1.汽缸体汽缸体2. 活塞活塞3. 连杆连杆4. 曲轴曲轴5. 齿轮齿轮6. 齿轮齿轮7. 凸轮凸轮8.推杆推杆原动件：原动件：运动规律已知的活动构件运动规律已知的活动构件。（内燃机内燃机中的中的活塞活塞

8、2）主动件：主动件：作用有驱动力或驱动力矩的活动构件。作用有驱动力或驱动力矩的活动构件。 （活塞活塞2 、齿轮齿轮5 5 、凸轮、凸轮7）输出件：输出件：输出运动或动力的从动件输出运动或动力的从动件。（曲轴曲轴4 4 、推杆、推杆8 ）活动构件活动构件从动件：从动件：机构中随主动件的运动而运动的其余活动机构中随主动件的运动而运动的其余活动 构件构件（如连杆（如连杆3、曲轴、曲轴4 、齿轮齿轮5 5 、推杆、推杆8 ）121221212112二常用机构运动简图的表示符号二常用机构运动简图的表示符号一）运动副的表示一）运动副的表示符号符号转动副的符号转动副的符号移动副的符号移动副的符号高副的符号高

9、副的符号三副构件三副构件（活动构件）（活动构件）两副构件两副构件（活动构件）（活动构件）固定构件固定构件注意：注意：固定构件用带有阴影线构件表示固定构件用带有阴影线构件表示二）构件二）构件的表示的表示符号符号齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构表示符号齿轮机构表示符号凸轮机构表示符号凸轮机构表示符号三）常用机构运动简图符号三）常用机构运动简图符号电动机电动机带传动带传动链传动链传动锥齿轮机构锥齿轮机构蜗杆蜗轮传动蜗杆蜗轮传动三三. 平面机构运动简图绘制平面机构运动简图绘制 举例说明举例说明 1）分析内燃机的机构组成：）分析内燃机的机构组成：主运动机构：主运动机构：由气缸体由气缸体1、活塞、

10、活塞2、连杆、连杆3、曲轴、曲轴4组成组成其他机构：其他机构：齿轮机构（齿轮齿轮机构（齿轮5 、齿轮、齿轮6），凸轮机构（凸轮），凸轮机构（凸轮7 、 推杆推杆8）固定件固定件: : 气缸体气缸体1 12）根据机构的运动情况，判别）根据机构的运动情况，判别固定件、原动件和从动件固定件、原动件和从动件例例1-1 绘制内燃机的机构运动简图绘制内燃机的机构运动简图凸轮凸轮7 、推杆、推杆81.汽缸体汽缸体2. 活塞活塞3. 连杆连杆4. 曲轴曲轴5. 齿轮齿轮6. 齿轮齿轮7. 凸轮凸轮8.推杆推杆解：解：1分析机构的运动，判别固定件、原动件和从动件分析机构的运动，判别固定件、原动件和从动件原动件原

11、动件: : 活塞活塞2 2连杆连杆3、曲轴、曲轴4齿轮齿轮5 、 6从从动动件件 2从原动件开始，按运动传递顺序，分析各构件之间相对从原动件开始，按运动传递顺序，分析各构件之间相对运动的性质、确定运动副的种类和数目。运动的性质、确定运动副的种类和数目。 2个移动副个移动副2和和1、8和和1； 4个转动副个转动副2和和3、3 和和4、5和和1、6和和1； 2个高个高 副副5和和6、7 和和8 。 该机构该机构 1.汽缸体汽缸体2. 活塞活塞3. 连杆连杆4. 曲轴曲轴5. 齿轮齿轮7. 凸轮凸轮8.推杆推杆6. 齿轮齿轮 3合理选择视图平面合理选择视图平面（选机构的主运动平面及其（选机构的主运动

12、平面及其平行平面）适当的机构的运平行平面）适当的机构的运动瞬时位置（图示位置）动瞬时位置（图示位置） 4选择适当的长度选择适当的长度比例尺比例尺l定出运动副之定出运动副之间的相对位置，用规定间的相对位置，用规定的符号绘制机构运动简的符号绘制机构运动简图。图。12344556CABDEF例例1-2 绘制鄂式破碎机机构运动简图绘制鄂式破碎机机构运动简图鄂式破碎机的组成情况鄂式破碎机的组成情况4.肘板肘板3. 动颚板动颚板5. 带轮带轮2. 偏心轴偏心轴1. 机架机架解：解：1鄂式破碎机的结构分析鄂式破碎机的结构分析 鄂式破碎机的主运动机构鄂式破碎机的主运动机构由：机架由：机架1、偏心轴、偏心轴2（

13、与带（与带轮轮5固连在一起）、动颚板固连在一起）、动颚板3和肘板和肘板4组成。动颚板组成。动颚板3在偏在偏心轴驱动下作平面运动，将心轴驱动下作平面运动，将堆放在动颚板与定颚板之间堆放在动颚板与定颚板之间的矿石压碎。的矿石压碎。2分析机构的运动，判别固分析机构的运动，判别固定件、原动件和从动件定件、原动件和从动件1）机构的运动情况分析）机构的运动情况分析鄂式破碎机鄂式破碎机4.肘板肘板3. 动颚板动颚板1. 机架机架5. 带轮带轮2. 偏心轴偏心轴固定件固定件 机架机架1原动件原动件 偏心轴偏心轴2从动件从动件 动颚板动颚板3、肘板、肘板42）判别）判别4.肘板肘板1. 机架机架2. 偏心轴偏心

14、轴5. 带轮带轮3. 动颚板动颚板 3从原动件开始，按从原动件开始，按运动传递顺序，分析各构运动传递顺序，分析各构件之间相对运动的性质、件之间相对运动的性质、确定运动副的种类和数目。确定运动副的种类和数目。因机构各构件之间的相对因机构各构件之间的相对运动均为转动，固组成运动均为转动，固组成4个转动副，即：转动副个转动副，即：转动副A、B、C、D，其中，其中A和和D为为固定铰链，固定铰链， B、C为活动为活动铰链铰链4.肘板肘板1. 机架机架2. 偏心轴偏心轴5. 带轮带轮3. 动颚板动颚板ACBD 4合理选择视图平面（一般选机构的运动平面或者与运合理选择视图平面（一般选机构的运动平面或者与运动

15、平面平行的平面），适当的机构的运动瞬时位置（以能够动平面平行的平面），适当的机构的运动瞬时位置（以能够清楚反映出各构件之间相对位置关系为原则）清楚反映出各构件之间相对位置关系为原则） 5选择适当的长度比例尺选择适当的长度比例尺l = ，定，定出运动副之间的相对位置，用规定的符号绘制机构运动简图。出运动副之间的相对位置，用规定的符号绘制机构运动简图。 mmmmmcm图示长度或或长度际实机构运动简图机构运动简图3D1鄂式破碎机鄂式破碎机4.肘板肘板3. 动颚板动颚板1. 机架机架2. 偏心轴偏心轴5. 带轮带轮 1）确定固定铰链）确定固定铰链A和和D： 先定先定A点位置点位置 根据根据D点相对点相

16、对于于A点的坐标和长度比例尺点的坐标和长度比例尺l 定出定出D点；点； 2）确定活动铰链）确定活动铰链B的位置：以的位置：以A点为圆心，偏心距点为圆心，偏心距e/l（即（即lAB/l）为半径画圆，在其圆周上确定一适当的运动瞬时位置）为半径画圆，在其圆周上确定一适当的运动瞬时位置B2BA1 3）确定活动铰链）确定活动铰链C的位置：分别以的位置：分别以B、D点为圆心，点为圆心， lBC/l 、 lCD/l 为半径画弧相交于为半径画弧相交于C点；点； 4）用规定的构件符号连接各点，所形成的简单图形即为鄂）用规定的构件符号连接各点，所形成的简单图形即为鄂式破碎机的主运动机构式破碎机的主运动机构C4 1

17、）确定固定铰链）确定固定铰链A和和D： 先定先定A点位置点位置 根据根据D点相对于点相对于A点的坐标点的坐标和长度比例尺和长度比例尺l 定出定出D点；点； 2）确定活动铰链）确定活动铰链B的位置：以的位置：以A点为圆心，偏心距点为圆心，偏心距e/l（即（即lAB/l）为）为半径画圆，在其圆周上确定一适当的运半径画圆，在其圆周上确定一适当的运动瞬时位置动瞬时位置B； 3）确定活动铰链）确定活动铰链C的位置：分别的位置：分别以以B、D点为圆心，点为圆心， lBC/l 、lCD/l 为为半径画弧相交于半径画弧相交于C点；点； 4）用规定的构件符号连接各点，）用规定的构件符号连接各点，所形成的简单图形

18、即为鄂式破碎机的主所形成的简单图形即为鄂式破碎机的主运动机构运动机构鄂式破碎机鄂式破碎机机构运动简图机构运动简图3D12BA1C4鄂式破碎机鄂式破碎机机构运动简图绘制步骤：机构运动简图绘制步骤：1-3 1-3 平面机构的自由度平面机构的自由度一一. .平面机构的自由度平面机构的自由度( (degreedegree of freedom)of freedom) （一）构件的自由度（一）构件的自由度 一个作平面运动的自由构件有三个独立运动。即有三一个作平面运动的自由构件有三个独立运动。即有三个自由度。个自由度。OxY12A 能动吗？能动吗？213ACB4D（二）约束（二）约束 当两构件用运动副连接

19、后当两构件用运动副连接后, ,彼此间的相对运动受到约束彼此间的相对运动受到约束, ,自由度减少自由度减少, ,失去一个自由度失去一个自由度, ,产生一个约束。对构件的约束产生一个约束。对构件的约束数取决于运动副的类型。数取决于运动副的类型。低副：两个约束低副：两个约束12ttnnAttnnA高副：一个约束高副：一个约束 平面机构自由度：平面机构自由度：机构中各活动构件相对于机架的可机构中各活动构件相对于机架的可 能的独立运动的数目。能的独立运动的数目。（三）平面机构自由度（三）平面机构自由度平面机构中有平面机构中有 n n 个活动构件个活动构件，未用运动副联接时有未用运动副联接时有 3n 3n

20、 个自由度。个自由度。 平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式: :F=3n2pL pH用用pL个底副及个底副及pH个高副联接后，自由度减少个高副联接后，自由度减少（2 pL+ pH ） 。机构中的高副数目机构中的高副数目机构中的低副数目机构中的低副数目机构中活动构件数目机构中活动构件数目n = N（总构件数）（总构件数）-1（机架）（机架）平面机构自由数目：平面机构自由数目： 3n - 3n - （2 2 p pL L+ + p pH H ） 二二. .机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件pL =4,pH =1,F= 3 3 3232 4-14-1= = 0n=3,123ACB

21、4Dn=2,pL =3F= 3 3 2222 3 3 = 0231n=3,pL =5F= 3 3 3232 5 5 = 1B2C4ADE13n=3,pL =4F= 3 3 3232 4 4 = 1 14123ABCD不能动不能动不能动不能动不能动不能动能能 动动1.1.机构可能运动的条件是：机构可能运动的条件是：2.2.机构具有确定运动的条件是：机构具有确定运动的条件是： 即即: :主动件数等于机构自由度数主动件数等于机构自由度数F F 。输入的独立运动数目等于机构自由度数输入的独立运动数目等于机构自由度数F F 。机构自由度数机构自由度数F F 1 1。pL =5,n=4,F=2 13C2B

22、54ADE1C D n=3,pL =4,F=1 1C4123ABD给定给定1构件的运动构件的运动则机构运动确定则机构运动确定只给定只给定1构件的运动时，机构运动不确定构件的运动时，机构运动不确定给定给定1、4 4构件运动，构件运动，机构运动才确定。机构运动才确定。 1 4B54A3C2DE1结论结论：3C2D一）一）复合铰链复合铰链: :A2CB134DE56324筛料机构自由度：筛料机构自由度：F=3n-2PL PH= 3 5 2 6 = 3 ？因此，因此，筛料机构自由度的正确计算是：筛料机构自由度的正确计算是：F=3F=3 5252 7=17=1 筛料机构筛料机构复合铰链处理方法复合铰链处

23、理方法 计入复合铰链数目计入复合铰链数目复合铰链复合铰链由由m m个构件在一处组成个构件在一处组成轴线重合轴线重合的转动副的转动副, ,实际有实际有(m-1)(m-1)个个转动副。转动副。三三. . 计算机构自由度时应注意的问题计算机构自由度时应注意的问题二）局部自由度二）局部自由度局部自由度：局部自由度：机构中个别构件所具有的不影响其它构件机构中个别构件所具有的不影响其它构件 运动，即与整个机构运动无关的自由度。运动，即与整个机构运动无关的自由度。21ACB4321ACB3F=3 32 31 =2 ？F= 3 22 21 =1 局部自由度处理方法局部自由度处理方法 ：计算机构自由度时，应将局

24、部自由度计算机构自由度时，应将局部自由度除除去不计，即将滚子与推杆固联成一体，看成一个零件去不计，即将滚子与推杆固联成一体，看成一个零件 4F5AB CD EF123ADBCE123ADBCEF=3 42 6=0 ?F=3 32 4=1三）虚约束三）虚约束虚约束处理方法虚约束处理方法: : 将虚约束去除不计将虚约束去除不计机车车轮的联动机构机车车轮的联动机构机构中那些对构件间的相对运动不起独机构中那些对构件间的相对运动不起独 立立限制作用的限制作用的重复约束重复约束。或称消极约束。或称消极约束。例例DABC123F=3 32 4=1常见的虚约束：常见的虚约束：1.1.机构中联结构件与被联结构件

25、的轨迹重合机构中联结构件与被联结构件的轨迹重合橢圆规机构橢圆规机构AB=BC=BDDABC123虚约束虚约束4F5AB CD EF123ADBCE虚约束虚约束2.2.两构件组成若干个导路中心线互相平行或重叠的移动副两构件组成若干个导路中心线互相平行或重叠的移动副F=3 32 4=12CAB134EF虚约束虚约束21虚虚约约束束ACBD12323.3.两构件组成若干个轴线互相两构件组成若干个轴线互相重合重合的转动副的转动副。F=3 32 32 =1虚约束虚约束4.4.在机构整个运动过程中，的距离始终不变。在机构整个运动过程中，的距离始终不变。AB=CD， AE=DF，BE=CF， BC=EF=A

26、D4CAB1325DEFF=3 32 4=1CAB1325DEF虚约束虚约束5.5.机构中对运动不起独立作用的对称部分。机构中对运动不起独立作用的对称部分。21322OF=3 32 32 =1例例1找出图示找出图示直线机构中直线机构中的是的是复合铰链复合铰链 F=3 72 10 =1 例例2 F=3 72 10 =1 机构具有确定运动机构具有确定运动, ,因为主动件数等于机构自由度数因为主动件数等于机构自由度数F F 。直线机构直线机构复合复合铰链铰链A2CB13DE5647压缩机机构压缩机机构计算图示压缩机机计算图示压缩机机构的构的自由度自由度F复合铰链复合铰链1563287 74ACBFED复合复合铰链铰链EABCDO FGH 机构具有确定运动机构具有确定运动, ,因为主动件数等于机构自由度数因为主动件数等于机构自由度数F F 。例例虚约束虚约束局部自由度局部自由度F=3 62 81 =1F=3n2Pl Ph例例 部分图示油泵机构中，部分图示油